CN110203300A - 一种具有三自由度的单环闭链腿部机构 - Google Patents

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李禄权
方跃法
王林
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Abstract

一种具有三自由度的单环闭链腿部机构，涉及四足步行机器人技术领域，可作为四足机器人的腿部机构，使四足机器人具有较高的灵活性，较快的运动速度，及大负载能力。该机构包括基座组件(1)，等效圆柱副驱动机构组件(2)，第一支链组件(3)，第二支链组件(4)，足部组件(5)。机构的五个组件通过螺栓连接及铰接构成一个整体。通过控制第一至第三驱动电机(2‑1、2‑1、4‑1)的运动，该腿部机构可实现空间三维平移运动，足端可沿任意的三维轨迹运动。

Description

一种具有三自由度的单环闭链腿部机构
技术领域
本发明专利涉及四足步行机器人技术领域，特别涉及一种具有三自由度的单环闭链腿部机构。
背景技术
四足步行机器人由于足端与地面的接触为点接触，因此对复杂环境具有良好的适应性，能够在非连续地面灵活的运动，在救灾，野外运载等领域具有广泛的应用前景。现有的四足机器人腿部机构有连杆机构，串联机构，并联机构，串并混联机构等，这些腿部机构存在连杆腿部机构灵活性差，串联腿部机构承载能力差，并联腿部机构工作空间小，串并混联腿部机构结构复杂以及运动速度慢等特点，限制了四足机器人的应用。因此，提出一种结构简单，运动速度快，承载能力好，灵活性高的腿部机构是很有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服背景技术存在的不足，提出一种具有三自由度的单环闭链腿部机构。
本发明解决技术问题采用的方案是：
一种具有三自由度单的环闭链腿部机构包括基座组件，等效圆柱副驱动机构组件，第一支链组件，第二支链组件，足部组件。
等效圆柱副驱动机构组件包括：第一驱动电机，第二驱动电机，第一驱动电机支座，第一联轴器，第二联轴器，左旋丝杠，右旋丝杠，左旋丝杠螺母，右旋丝杠螺母，丝杠支座，齿轮左支架，齿轮右支架，第一齿轮，第二齿轮，输出齿轮，输出齿轮连接轴，第一连接轴，第一至第四法兰轴承，第五、第六法兰轴承，，第一、第二丝杠支座法兰轴承。
构成等效圆柱副驱动机构组件的零件之间的连接：第一驱动电机通过螺栓连接安装在第一驱动电机支座上，第二驱动电机通过螺栓连接安装在第一驱动电机支座上，左旋丝杠通过第一联轴器与第一驱动电机相连，右旋丝杠通过第二联轴器与第二驱动电机相连，左旋丝杠螺母与左旋丝杠形成螺纹连接，右旋丝杠螺母与右旋丝杠形成螺纹连接，齿轮左支架通过第一法兰轴承与左旋丝杠螺母连接，齿轮左支架通过第二法兰轴承与右旋丝杠螺母连接，第一齿轮通过螺栓连接安装在左旋丝杠螺母，第二齿轮通过螺栓连接安装在右旋丝杠螺母上，输出齿轮连接安装在输出齿轮连接轴上，输出齿轮连接轴通过第五法兰轴承与齿轮左支架相连，输出齿轮连接轴通过第六法兰轴承与齿轮右支架相连，输出齿轮与第一齿轮、第二齿轮形成齿轮连接，齿轮右支架通过第三法兰轴承与左旋丝杠螺母连接，齿轮右支架通过第四法兰轴承与右旋丝杠螺母连接，齿轮左支架通过第一连接轴与齿轮右支架相连，左旋丝杠通过第一丝杠支座法兰轴承与丝杠支座相连，右旋丝杠通过第二丝杠支座法兰轴承与丝杠支座相连。
第一支链组件包括：第一连杆，第二连杆，第二连接轴。
构成第一支链组件的零件间的连接：第一连杆通过第二连接轴与第二连杆相连形成转动副。
第二支链组件包括：第三驱动电机，第二驱动电机支座，第三连杆，第四连杆，第三连接轴，第四连接轴。
构成第二支链组件的零件间的连接：第三驱动电机通过螺栓连接安装在第二驱动电机支座上，第三连杆通过螺栓连接安装在第三驱动电机上，第三连杆通过第三连接轴与第四连杆相连形成虎克铰，第四连接轴连接安装在第四连杆上。
足部组件包括：第一至第三足部零件。
构成足部组件的零件间的连接：第二足部零件通过螺栓连接安装在第一足部零件上，第三足部零件连接安装在第二足部零件上。
本机构由基座组件、等效圆柱副驱动机构组件、第一支链组件、第二支链组件，足部组件通过螺栓连接及铰接构成一个整体。
机构的等效圆柱副驱动机构组件中的第一驱动电机支座、丝杠支座通过螺栓连接固定在基座组件中的第一基座零件上。第一支链组件中的第一连杆通过螺栓连接固定在等效圆柱副驱动机构组件中的输出齿轮上。第一支链组件中的第二连杆连接在足部组件的第一足部零件上，形成转动副。第二支链组件中的第二电机驱动支座通过螺栓连接固定在基座组件中的第二基座零件上。第二支链组件中的第四连接轴与足端杆件相连，形成虎克铰。
在本机构中，当三个驱动电机运动时，足端杆件可作三个平移运动。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
本发明提出的单环腿式机构，通过三个驱动电机控制两条支链实现了足端的三维空间运动。该机构结构简单，惯性小，运动速度快，易生产加工，改善了腿部机构的承载能力，扩大了足端运动的工作空间。它能用于构造多足机器人，适应复杂的地形，具有较好的灵活性，在救灾，野外运载等领域具有广泛使得运用前景。
附图说明
图1一种三自由度单环闭链腿部机构；
图2腿部机构结构示意图；
图3基座组件的结构示意图；
图4等效圆柱副驱动机构组件的结构示意图；
图5等效圆柱副驱动机构组件的局部结构示意图(一)；
图6等效圆柱副驱动机构组件的局部结构示意图(二)；
图7等效圆柱副驱动机构组件的局部结构示意图(三)；
图8第一支链组件的结构示意图；
图9第二支链组件的结构示意图；
图10足部组件的结构示意图；
图11第一基座零件的结构示意图；
图12第二基座零件的结构示意图；
图13第一驱动电机支座的结构示意图；
图14第一、第二联轴器的结构示意图；
图15左旋丝杠的结构示意图；
图16右旋丝杠的结构示意图；
图17齿轮左、右支架的结构示意图；
图18左旋丝杠螺母的结构示意图；
图19第一、第二齿轮的结构示意图；
图20第一连接轴的结构示意图；
图21右旋丝杠螺母的结构示意图；
图22输出齿轮连接轴的结构示意图；
图23输出齿轮的结构示意图；
图24丝杠支座的结构示意图；
图25第一至第四法兰轴承的结构示意图；
图26第五、第六兰轴承的结构示意图；
图27第一、第二丝杆支座法兰轴承的结构示意图；
图28第一连杆的结构示意图；
图29第二连接轴的结构示意图；
图30第二连杆的结构示意图；
图31第二驱动电机支座的结构示意图；
图32第三连杆的结构示意图；
图33第三、第四连接轴的结构示意图；
图34第四连杆的结构示意图；
图35第一足部杆件的结构示意图；
图36第二足部杆件的结构示意图；
图37第三足部杆件的结构示意图。
图中：基座组件1，等效圆柱副驱动组件2，第一支链组件3，第二支链组件4，足部组件5，第一、第二基座零件1-1、1-2，第一、第二驱动电机 2-1、2-2，第一驱动电机支座2-3，第一、第二联轴器2-4、2-5，左旋丝杠2- 6，右旋丝杠2-7，齿轮左、右支架2-8、2-16，左旋丝杠螺母2-9，第一、第二齿轮2-10、2-14，第一连接轴2-11，右旋丝杠螺母2-12，输出齿轮连接轴2-13，输出齿轮2-15，丝杆支座2-17，第一至第四法兰轴承2-18、2-19、2- 20、2-21，第五、第六法兰轴承2-22、2-23，第一、第二丝杆支座法兰轴承 2-24、2-25，第一连杆3-1，第二连接轴3-2，第二连杆3-3，第三驱动电机4- 1，第二驱动电机支座4-2，第三连杆4-3，第三、第四连接轴4-4、4-6，第四连杆4-5，第一足部零件5-1，第二足部零件5-2，第三足部零件5-3。
具体实施方式
为进一步了解本发明提供的具有三自由度的单环闭链腿部机构，下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体说明。
图1、2为本发明提供的具有三自由度的单环闭链腿部机构的结构示意图，包括基座组件(1)，等效圆柱副驱动机构组件(2)，第一支链组件(3)，第二支链组件(4)，足部组件(5)。
图3为本发明提供的具有三自由度的单环闭链腿部机构的基座组件(1) 的结构示意图，包括：第一基座零件(1-1)，第二基座零件(1-2)。构成基座组件(1)的零件之间的连接：第一基座零件(1-1)通过螺栓与第二基座零件(1-2)相连。
图4、5、6、7为本发明提供的具有三自由度的单环闭链腿部机构的等效圆柱副驱动机构组件(2)的结构示意图，包括：第一、第二驱动电机(2- 1、2-2)，第一驱动电机支座(2-3)，第一、第二联轴器(2-4、2-5)，左旋丝杠(2-6)，右旋丝杠(2-7)，齿轮左、右支架(2-8、2-16)，左旋丝杠螺母(2- 9)，第一、第二齿轮(2-10、2-14)，第一连接轴(2-11)，右旋丝杠螺母(2- 12)，输出齿轮连接轴(2-13)，输出齿轮(2-15)，丝杆支座(2-17)，第一至第四法兰轴承(2-18、2-19、2-20、2-21)，第五、第六法兰轴承(2-22、2-23)，第一、第二丝杆支座法兰轴承(2-24、2-25)。构成等效圆柱副驱动机构组件 (2)的零件之间的连接：第一驱动电机(2-1)通过螺栓连接安装在第一驱动电机支座(2-3)上，第二驱动电机(2-2)通过螺栓连接安装在第一驱动电机支座(2-3)上，左旋丝杠(2-6)通过第一联轴器(2-4)与第一驱动电机(2-1)相连，右旋丝杠(2-7)通过第二联轴器(2-5)与第二驱动电机(2- 2)相连，左旋丝杠螺母(2-9)与左旋丝杠(2-6)形成螺纹连接，右旋丝杠螺母(2-12)与右旋丝杠(2-7)形成螺纹连接，齿轮左支架(2-8)通过第一法兰轴承(2-18)与左旋丝杠螺母(2-9)连接，齿轮左支架(2-8)通过第二法兰轴承(2-19)与右旋丝杠螺母(2-12)连接，第一齿轮(2-10)通过螺栓连接安装在左旋丝杠螺母(2-9)，第二齿轮(2-14)通过螺栓连接安装在右旋丝杠螺母(2-12)上，输出齿轮(2-15)连接安装在输出齿轮连接轴(2-13) 上，输出齿轮连接轴(2-13)通过第五法兰轴承(2-22)与齿轮左支架(2-8) 相连，输出齿轮连接轴(2-13)通过第六法兰轴承(2-23)与齿轮右支架相连(2-16)，输出齿轮(2-15)与第一齿轮(2-10)、第二齿轮(2-14)形成齿轮连接，齿轮右支架(2-16)通过第三法兰轴承(2-20)与左旋丝杠螺母(2- 9)连接，齿轮右支架(2-16)通过第四法兰轴承(2-21)与右旋丝杠螺母(2- 12)连接，齿轮左支架(2-8)通过第一连接轴(2-1)与齿轮右支架相连(2- 16)，左旋丝杠(2-6)通过第一丝杠支座轴承(2-24)与丝杠支座(2-17)相连，右旋丝杠(2-7)通过第二丝杠支座法兰轴承(2-25)与丝杠支座(2-17)相连。
图8为本发明提供的具有三自由度的单环闭链腿部机构的第一支链组件(3)的结构示意图，包括：第一连杆(3-1)，第二连杆(3-2)，第二连接轴(3-3)。构成第一支链组件(3)的零件间的连接：第一连杆(3-1)通过第二连接轴(3-2)与第二连杆(3-3)相连形成转动副。
图9为本发明提供的具有三自由度的单环闭链腿部机构的第二支链组件(4)的结构示意图，包括：第三驱动电机(4-1)，第二驱动电机支座(4- 2)，第三连杆(4-3)，第四连杆(4-5)，第三连接轴(4-4)，第四连接轴(4- 6)。构成第二支链组件(4)的零件间的连接：第三驱动电机(4-1)通过螺栓连接安装在第二驱动电机支座(4-2)上，第三连杆(4-3)通过螺栓连接安装在第三驱动电机(4-1)上，第三连杆(4-3)通过第三连接轴(4-4)与第四连杆(4-5)相连形成虎克铰，第四连接轴(4-6)连接安装在第四连杆 (4-5)上。
图10为本发明提供的具有三自由度的单环闭链腿部机构的足部组件(5) 的结构示意图包括：第一至第三足部零件(5-1、5-2、5-3)。构成足部组件(5) 的零件间的连接：第二足部零件(5-2)通过螺栓连接安装在第一足部零件(5- 1)上，第三足部零件(5-3)连接安装在第二足部零件(5-2)上。
本机构由基座组件(1)、等效圆柱副驱动机构组件(2)、第一支链组件 (3)、第二支链组件(4)、足部组件(5)通过螺栓连接及铰接构成一个整体。机构的等效圆柱副驱动机构组件(2)中的第一驱动电机支座(2-3)、丝杠支座(2-17)通过螺栓连接固定在基座组件中的第一基座零件(1-1)上。第一支链组件(3)中的第一连杆(3-1)通过螺栓连接固定在等效圆柱副驱动机构组件中的输出齿轮(2-15)上。第一支链组件(3)中的第二连杆(3-3)连接在足部组件(5)的第一足部零件(5-1)上，形成转动副。第二支链组件(3)中的第二电机驱动支座(4-2)通过螺栓连接固定在基座组件中的第二基座零件(1-2)上。第二支链组件(4)中的第四连接轴(4-6)与足足部组件(5)中的第一足部零件(5-1)相连，形成虎克铰。
在本机构中，当第一、第二、第三驱动电机(2-1、2-2、4-1)运动时，足部组件(5)可作三平移运动。

Claims (2)

1.具有三自由度的单环闭链腿部机构，包括基座组件(1)，等效圆柱副驱动机构组件(2)，第一支链组件(3)，第二支链组件(4)，足部组件(5)，各组件间的连接：等效圆柱副驱动机构组件(2)中的第一驱动电机支座(2-3)、丝杠支座(2-17)通过螺栓连接固定在基座组件中的第一基座零件(1-1)上，第一支链组件(3)中的第一连杆(3-1)通过螺栓连接固定在等效圆柱副驱动机构组件中的输出齿轮(2-15)上，第一支链组件(3)中的第二连杆(3-3)连接在足部组件(5)的第一足部零件(5-1)上，形成铰接转动副，第二支链组件(3)中的第二电机驱动支座(4-2)通过螺栓连接固定在基座组件中的第二基座零件(1-2)上，第二支链组件(4)中的第四连接轴(4-6)与足部组件(5)中的第一足部零件(5-1)相连，形成虎克铰连接，当第一、第二、第三驱动电机(2-1、2-2、4-1)运动时，足部组件(5)可作三平移运动。
2.根据权利要求1所述的具有三自由度的单环闭链腿部机构，其特征在于：所述的等效圆柱副驱动机构组件(2)包括：第一、第二驱动电机(2-1、2-2)，第一驱动电机支座(2-3)，第一、第二联轴器(2-4、2-5)，左旋丝杠(2-6)，右旋丝杠(2-7)，齿轮左、右支架(2-8、2-16)，左旋丝杠螺母(2-9)，第一、第二齿轮(2-10、2-14)，第一连接轴(2-11)，右旋丝杠螺母(2-12)，输出齿轮连接轴(2-13)，输出齿轮(2-15)，丝杆支座(2-17)，第一至第四法兰轴承(2-18、2-19、2-20、2-21)，第五、第六法兰轴承(2-22、2-23)，第一、第二丝杆支座法兰轴承(2-24、2-25)，各零件间的连接：第一驱动电机(2-1)通过螺栓连接安装在第一驱动电机支座(2-3)上，第二驱动电机(2-2)通过螺栓连接安装在第一驱动电机支座(2-3)上，左旋丝杠(2-6)通过第一联轴器(2-4)与第一驱动电机(2-1)相连，右旋丝杠(2-7)通过第二联轴器(2-5)与第二驱动电机(2-2)相连，左旋丝杠螺母(2-9)与左旋丝杠(2-6)形成螺纹连接，右旋丝杠螺母(2-12)与右旋丝杠(2-7)形成螺纹连接，齿轮左支架(2-8)通过第一法兰轴承(2-18)与左旋丝杠螺母(2-9)连接，齿轮左支架(2-8)通过第二法兰轴承(2-19)与右旋丝杠螺母(2-12)连接，第一齿轮(2-10)通过螺栓连接安装在左旋丝杠螺母(2-9)，第二齿轮(2-14)通过螺栓连接安装在右旋丝杠螺母(2-12)上，输出齿轮(2-15)连接安装在输出齿轮连接轴(2-13)上，输出齿轮连接轴(2-13)通过第五法兰轴承(2-22)与齿轮左支架(2-8)相连，输出齿轮连接轴(2-13)通过第六法兰轴承(2-23)与齿轮右支架相连(2-16)，输出齿轮(2-15)与第一齿轮(2-10)、第二齿轮(2-14)形成齿轮连接，齿轮右支架(2-16)通过第三法兰轴承(2-20)与左旋丝杠螺母(2-9)连接，齿轮右支架(2-16)通过第四法兰轴承(2-21)与右旋丝杠螺母(2-12)连接，齿轮左支架(2-8)通过第一连接轴(2-1)与齿轮右支架相连(2-16)，左旋丝杠(2-6)通过第一丝杠支座法兰轴承(2-24)与丝杠支座(2-17)相连，右旋丝杠(2-7)通过第二丝杠支座法兰轴承(2-25)与丝杠支座(2-17)相连；
所述的基座组件(1)包括：第一基座零件(1-1)，第二基座零件(1-2)，各零件间的连接：第一基座零件(1-1)通过螺栓与第二基座零件(1-2)相连；
所述的第一支链组件(3)包括：第一连杆(3-1)，第二连杆(3-2)，第二连接轴(3-3)，各零件间的连接：第一连杆(3-1)通过第二连接轴(3-2)与第二连杆(3-3)相连形成转动副；
所述的第二支链组件(4)包括：第三驱动电机(4-1)，第二驱动电机支座(4-2)，第三连杆(4-3)，第四连杆(4-5)，第三连接轴(4-4)，第四连接轴(4-6)，各零件间的连接：第三驱动电机(4-1)通过螺栓连接安装在第二驱动电机支座(4-2)上，第三连杆(4-3)通过螺栓连接安装在第三驱动电机(4-1)上，第三连杆(4-3)通过第三连接轴(4-4)与第四连杆(4-5)相连形成虎克铰，第四连接轴(4-6)连接安装在第四连杆(4-5)上；
所述的足部组件(5)包括：第一至第三足部零件(5-1、5-2、5-3)，各零件间的连接：第二足部零件(5-2)通过螺栓连接安装在第一足部零件(5-1)上，第三足部零件(5-3)连接安装在第二足部零件(5-2)上。
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Application publication date: 20190906

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